TOF-SIMS在光电器件研究中的应用系列之二

1.引言

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）是基于多层有机薄膜结构的电致发光的器件，用作平面显示器时具有轻薄、柔性、响应快、高对比度和低能耗等优点，有望成为新一代主流显示技术。然而，高效率和长寿命依然是阻碍OLED发展的重要因素，因为有机材料易降解和器件界面结构不稳定从而导致OLED器件失效。在此背景下，迫切需要了解器件的退化机制，从而在合理设计和改进材料组合以及器件结构的基础上，找到提高器件寿命的有效策略。

 

图1.基于OLED柔性显示器件

2. TOF-SIMS表面分析方法

研究有机/无机混合OLED器件的界面效应是提高其性能和运行稳定性的关键步骤。在众多分析方法中，飞行时间二次离子质谱仪（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS）是表征有机层及其内部缺陷的有效分析工具。 TOF-SIMS是由一次脉冲离子束轰击样品表面所产生的二次离子，经飞行时间质量分析器分析二次离子到达探测器的时间，从而得知样品表面成份的分析技术，具有以下检测优势：

（1）兼具高检测灵敏度（ppmm-ppb）、高质量分辨率(M/DM>16000)和高空间分辨率(<50nm)；

（2）表面灵敏，可获取样品表面1-2个原子/分子层成分信息(≤2nm)；

（3）可分析H在内的所有元素，并且可以分析同位素；

（4）能够检测分子离子，从而获取有机材料的分子组成信息；

（5）适用材料范围广：导体、半导体及绝缘材料。

目前，TOF-SIMS作为一种重要的表面分析技术，可以用于样品的表面质谱谱图分析，深度分析，2D以及3D成像分析，所以被广泛应用于半导体器件、纳米器件、生物医药、量子材料以及能源电池材料等领域。

 

3.应用简介

基于Alq₃（8-hydroxyquinoline, aluminum salt，8-羟基喹啉和铝，分子结构见图2）的OLED器件，因其宽视角、高亮度和低功耗的特性，成为下一代平板显示器最有潜力的备选之一。这类器件具有“三明治”结构，在两个电极之间夹有多个有机层。对于OLED器件的研究不仅专注于探索有机材料，还要进行失效分析来确定故障（如显示黑点）产生的原因。在这里，我们展示了TOF-SIMS对Alq₃有机层进行了全面表征。

 

图2. Alq₃的分子结构式

 

图3和图4均为市售Alq₃材料在正离子模式下的TOF-SIMS谱。TOF-SIMS结果表明，利用Au⁺和Ga⁺离子源均可检测到Alq₃碎片的质量特征峰，但Au⁺离子源对这些碎片的灵敏度更高。比如，对比相同离子电流下的Au⁺和Ga⁺离子束对质量数为315的Alq₂分子碎片的灵敏度，发现前者灵敏度提高了23倍。此外，只有Au⁺离子源才能检测到质量数超过1000的质量片段。这些质谱体现出使用Au⁺源分析Alq₃这类分子量较大的材料的优势。

 

图3.正离子模式下Alq₃的TOF-SIMS谱。分析条件:一次离子束Au⁺，22 keV；样品电流：0.07 pA；分析面积：300 μm²；数据采集时间10 min。

 

图4.正离子模式下Alq₃的TOF-SIMS谱。分析条件:一次离子束Ga⁺，15 keV；样品电流：0.3 pA；分析面积：300 μm²；数据采集时间10 min。

 

此外，Alq₃薄膜必须在高真空条件下沉积才能保持其完整性。为研究大气对Alq₃薄膜的影响，分别对暴露在空气前后的样品进行了TOF-SMIS表征，结果如图5所示。TOF-SMIS证明了暴露大气后Alq₃薄膜发生了分解，并且随着暴露时间的增长，AlqO₂质量片段的强度增加，表明水分和氧气会显著改变Alq₃的组成。

 

图5.负离子模式下Alq₃在大气中暴露前后在的TOF-SIMS谱。分析条件:一次离子束Ga⁺，15 kev；分析面积：300 μm²。

 

总之，三重离子束聚焦质量分析器（Triple Ion Focusing Time-of-Flight，TRIFT）结合Au⁺离子源能显著提高仪器的灵敏度和降低本底，增强TOF-SMIS检测Alq₃等高质量数（大分子）材料碎片的能力。